CN108536097B - 基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，该控制器包括控制主板，所述控制主板与信息交互设备通过接线端子相连接；所述控制主板与监控设备双向通信；所述控制主板包括主控芯片、电源接口保护电路、主电源、隔离电源、通讯模块、TVS自恢复过载保护电路、CAN总线模块、片外掉电数据保护模块和测控信号隔离模块；所述主控芯片分别与通讯模块、片外掉电数据保护模块、CAN总线模块和测控信号隔离模块通过自身I/O引脚双向通信连接；所述主电源分别与主控芯片、隔离电源、测控信号隔离模块单向连接。该控制器能够抵抗雷击和浪涌对控制器的冲击，能防止过载时烧毁用电设备及突然断电导致的数据流失，并能匹配液压伺服系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，主要用于锂电池极片轧机设备的控制系统中。
背景技术
锂电池具有高能量、无污染、不燃爆、可回收的特点，在国家能源战略方面和人们的日常生活方面有着重要的作用。目前，锂电池极片轧机设备已实现自动化高速生产，但是目前基于嵌入式系统控制器还不成熟，需要不断完善。
《电池极片轧制与分切设备的控制系统研究》(王旭.电池极片轧制与分切设备的控制系统研究[D].河北工业大学.2013.)该文章提出运用C8051F020单片机作为控制核心的极片轧机控制系统，在该控制系统的电源电路结构简单缺少电源转换电路和保护电路，在实际工作状态下需要接入各种直流电源对控制器中的器件供电，这使得该控制器对外接直流电源依赖性过高，一旦某个供电设备出现异常，控制器将停止工作，使用起来很不方便；该控制器没有实施对电路的保护环节，一旦电压电流过高就会烧毁整个电路板，会造成不小的经济损失；
申请号为201710355693.X的中国专利公开一种基于嵌入式模块化的锂电池极片轧机控制器，该控制器能够实现对锂电池极片轧机的控制，但还存在很多不足和缺点，即没有可以扩展的外部RAM和FLASH存储器，主控制器扩展的控制模块和通讯模块越多，处理器运行的程序也将变得越复杂，但是处理器的程序运行空间是有限的，过大的程序会严重影响处理器的数据处理速度，降低生产效率。同时，该专利的控制器也不具备与液压伺服系统通讯的能力；该控制器的电源系统也不具备电气隔离功能，没有良好的电磁兼容性，系统安全得不到保障，在外界信号干扰下会导致控制器做出错误动作，从而耽误生产造成损失。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，解决现有控制器抗干扰能力差，可靠性低的技术问题，能够抵抗雷击和浪涌对控制器的冲击，防止控制器各模块电路在过载时烧毁用电设备，并防止突然断电导致控制器中的数据流失，此外还解决了现有控制器不能匹配液压伺服系统的问题。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：设计一种基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于该控制器包括控制主板，所述控制主板与信息交互设备通过接线端子相连接；所述控制主板与监控设备双向通信；
所述控制主板包括主控芯片、电源接口保护电路、主电源、隔离电源、通讯模块、TVS自恢复过载保护电路、CAN总线模块、片外掉电数据保护模块和测控信号隔离模块；
所述主控芯片分别与通讯模块、片外掉电数据保护模块、CAN总线模块和测控信号隔离模块通过自身I/O引脚双向通信连接；所述主电源分别与主控芯片、隔离电源、测控信号隔离模块单向连接，并为之提供电源；所述隔离电源与通讯模块和CAN总线模块单向连接，并为之提供电源；
CAN总线模块与监控设备双向通信，通讯模块通过TVS自恢复过载保护电路连接信息交互设备及监控设备；所述电源接口保护电路位于控制主板与外部电源接线处；
所述控制主板分为三个不同的电源区域：主电源区、信号输入区、信号输出区，分别接受三路相互独立的外部电源24V供电；第一路进入主电源区经过控制主板中的主电源将得到的24V电压转换成不同电压值的电源，传送至核心保护区、隔离电源和测控信号隔离模块的模拟信号输入隔离及模拟信号输出隔离；隔离电源再将得到的电源做隔离处理传送至通讯模块和CAN总线模块；所述核心保护区是主控芯片和片外掉电保护模块所在的电路区域；第二路进入信号输入区然后直接用外部电源24V为该区域测控信号隔离模块中的数字输入隔离和高速数字输入隔离提供所需电源；第三路外部电源进入信号输出区，然后直接为该区域测控信号隔离模块中的数字输出隔离和高速数字输出隔离提供所需电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)系统稳定寿命长。本发明中除了设置I/O和通讯隔离外，还设计了完全电气隔离系统。该隔离系统把和通讯模块供电区域和以主控芯片为首的其他等模块供电区域进行了不同的地线布局规划，主电源使用开关集成芯片实现，相比使用分散器件构成的电源转换设计更加容易获得更高的电源效率。隔离电源采用了ISOPOWER技术的隔离电源芯片，该芯片会根据相应引脚输入电压值的不同输出不同的隔离电压VISO实现电源隔离。这样的电气隔离设计使得该控制主板中各个模块之间工作时相互不受信号干扰，各芯片的工作环境更佳，芯片使用寿命也随之延长。电气隔离系统由三部分组成；第一部分是将整个控制主板供电电源划分为三路，相当于把一个控住主板变成了三部分，每个部分相互独立，其中某个部分受到干扰不会影响其他部分工作；第二部分是建立隔离电源使通讯模块和CAN总线模块的电源与主控板其它部分电源相隔离，确保通讯模块和CAN总线模块的物理安全且通过电源隔离切断接地回路，避免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真使通信过程在严重的扰动和其他噪声存在的情况下保持信号不间断、无差错；第三部分是通过测控信号隔离模块把监控设备和控制主板间传输的信号做隔离处理，防止控制主板受到外部的监控设备产生的干扰被损坏。所述电源接口保护电路设置在控制主板与外部电源连接的最前端，一方面防止操作人员工作失误将外部电源线正负极反接在控制主板电源端口，导致控制主板内电子器件被烧毁，另一方面防止雷雨天气等外界信号干扰引起外部供电电源信号瞬间激增，导致元器件被损坏。
2)更高安全系数更低维修费用。本发明中加入TVS(瞬态抑制二极管)自恢复过载保护电路，所述TVS自恢复过载保护电路设置在通讯模块与外部信息交互设备和监控设备连接端子之间的一种保护电路，该电路具有电流过载时电路自动断开、当电流恢复到正常值时电路自动接通的属性，将其设置于通讯模块接口处能减少浪涌对通讯电路的危害，可提高控制主板安全性的同时系统中价格昂贵的器件被得到有效保护，耐久性更强。在控制器工作过程中一旦某个器件出现异常，此处电路的电流超过其载流能力，供电电源模块会迅速自动断开连接，在电流值恢复到正常范围内时，电路自动接通系统恢复正常运行状态。即使会烧毁一两个器件也不会因为没有保护措施造成大面积的元器件烧毁，控制器中价格贵重的器件将得到保护，这一点极大的降低了控制器的维修费用。这同样大大避免了因为电路短路引起火灾等重大人员伤亡事故，而且当工作环境出现雷雨天气或者电气设备出现启停和故障时，此装载了TVS过载自动保护电路的控制器在对抗雷击和浪涌上也是游刃有余，胜任各种工作环境。因此，除元器件老化的问题外，在一般情况下该控制器可一直处于正常工作状态，维修费用基本为零。
3)程序运行流畅不卡顿，数据不易流失。主控芯片本身具有1024KbytesFlash(闪存)以及256Kbytes内置RAM(随机存储器),但这对于一个有操作系统的嵌入式控制器来讲，是不足以使用的，在面对算法运算临时数据存储、任务信息存储、监视数据存储等来讲，无论是本身现有的RAM还是Flash的大小，都难以面对这样的挑战。于是本发明设置所述片外掉电数据保护模块，是与控制主板中主控芯片的I/O口独立相接的大容量的RAM(随机存取存储器)和一个FLASH(闪存存储器)，用于分担主控芯片自身内存空间压力，将监控设备中的实时参数存进片外掉电保护模块的RAM中，同时将一些重要的数据和易失性参数存入其FLASH中进行保护；有效是解决了主控芯片内存不够用的问题，并很好的保护了监控设备中的重要参数，另一方面，从程序运行角度来说加快了程序运转速度。RAM主要用于临时数据存储，Flash主要用于数据掉电保持，试想一个生产设备，它有众多的参数如PID运算中用到的比例因数、积分因数、积分时间、微分因数、微分时间等，还有一些诸如电机转速，编码器参数这类固定数值，如果没有掉电保持，每次设备断电再开启时都需要重新输入这些参数是多么的复杂！增加了技术人员的维修时间也给企业生产带来不必要的时间浪费。上述扩展的意义就体现于此。其中加入的随机存取存储器(RAM)解决了在扩展基板模块增多时系统产生的数据随之增多，致使主控芯片内置随机存取存储器不够用的问题，给系统流畅运行提供了必要空间。因此，本发明可使系统连续不断的运行得到有力保障，为企业生产降低了事故率，保证了生产的连续性，可靠性自然不言而喻。
4)具有广泛的适用性，适用于各式轧机。传统的轧辊间隙调整动作需要步进电机实现其目的，现在为了提高控制精度，市面上开始出现用伺服液压系统对其进行控制，但是现有控制器中的I/O输出并不能对其进行控制。本发明中设计了自隔离式CAN总线模块，所述CAN总线模块是将主控芯片输出的电平转换成标准的CAN总线协议支持的电平，通过CAN总线由主控芯片发出需要的轧制力到液压伺服系统，完成轧机对电池极片的轧制力的输出与控制。这样此控制器不仅可以通过I/O口对传统步进电机控制的轧机的间隙调整系统进行调控，还能通过CAN总线与新型的轧机液压伺服设备(现有控制器没有CAN总线接口，新型的液压伺服设备不能用传统的I/O控制但是可用CAN总线进行控制)相接轨，大大提高了控制器的通用性；此外测控信号隔离模块满足轧机设备中各种传感器和执行机构的信号被主控芯片查询和控制，在实际应用中可根据具体实际需求连接适当的设备组成功能不同的轧机控制系统，能够灵活运用于的各式极片轧机控制器。
5)采用模块化设计结构简洁。本发明将整个控制主板分为各个模块的设计是为了把复杂的电路简单化，清晰化，便于对控制主板各功能的组织管理，也便于对故障的精准查找与维修，使维护难度降低；预留许多输入、输出端口，方便控制器扩展。每一模块相互独立，通过总线进行连接，当某一个模块烧毁时，不会影响其他模块的正常运行，只是影响被烧毁的模块控制部分的运行，可以通过直接更换模块的方法恢复系统，最终使控制器系统正常运行，使系统更易于维护。
附图说明
图1为本发明基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器的电路结构框图。
图2是本发明基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器中控制主板上的电源供电方式流程图。
图3是本发明中电源接口保护电路102的电路图；
图4是本发明中数字输入隔离的电路图；
图5是本发明中数字输出隔离的电路图；
图6是本发明中高速数字输入隔离的电路图；
图7是本发明中高速数字输入隔离的电路图；
图8是本发明中模拟输入隔离的电路图；
图9是本发明中模拟输出隔离的电路图；
图中：1、控制主板；2、信息交互设备；3、监控设备；101、主控芯片；102、电源接口保护电路；103、主电源模块；104、隔离电源模块；105、通讯模块；106、TVS自恢复过载保护电路；107、CAN总线模块；108、片外掉电数据保护模块；109、测控信号隔离模块；201、人机交互触摸屏；202、外部计算机；203、云平台数据库。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器(简称控制器，参见图1-图2)包括控制主板1、信息交互设备2，控制主板1为控制器主体，监控设备3为控制器的被控对象；所述控制主板与信息交互设备通过接线端子相连接；所述监控设备3与控制主板1双向通信，监控设备3为锂电池极片轧机生产线上的相应控制设备，可以根据不同生产线的实际需求选择性地将锂电池极片轧机生产线上的相应控制设备接入控制主板；
所述控制主板1由主控芯片101、电源接口保护电路102、主电源103、隔离电源104、通讯模块105、TVS自恢复过载保护电路106、CAN总线模块107、片外掉电数据保护模块108和测控信号隔离模块109这九个基本部分组成；
所述主控芯片101分别与通讯模块105、片外掉电数据保护模块108、CAN总线模块107和测控信号隔离模块109通过自身I/O引脚双向通信连接；所述主电源103分别与主控芯片101、隔离电源104、测控信号隔离模块109单向连接，并为之提供电源；所述隔离电源104与通讯模块105和CAN总线模块107单向连接，并为之提供电源；
CAN总线模块107与监控设备双向通信，通讯模块105通过TVS自恢复过载保护电路106连接信息交互设备2及监控设备3；所述电源接口保护电路102位于控制主板与外部电源接线处；
所述控制主板1的电源布置方式如图2所示，控制主板分为三个不同的电源区域：主电源区、信号输入区、信号输出区，它们分别接受三路相互独立的外部电源24V供电；第一路进入主电源区经过控制主板1中的主电源103将得到的24V电压转换成不同电压值的电源，传送至核心保护区、隔离电源104和测控信号隔离模块109的模拟信号输入隔离及模拟信号输出隔离；隔离电源104再将得到的电源做隔离处理传送至通讯模块105和CAN总线模块107；所述核心保护区是主控芯片101和片外掉电保护模块108所在的电路区域；第二路进入信号输入区然后直接用外部电源24V为该区域测控信号隔离模块中的数字输入隔离和高速数字输入隔离提供所需电源；第三路和第二路类似，外部电源进入信号输出区然后直接为该区域测控信号隔离模块中的数字输出隔离和高速数字输出隔离提供所需电源；
所述主电源103对所述进入主电源区的外部电源转换过程是先将外部电源24V经过电源接口保护电路102的保护处理；然后再将此24V电压用四个不同的开关稳压集成芯片转换为四个不同的电压源，分别为12V 1A模拟电源、5V 1A数字电源、3.3V 1A数字电源、3.3V1A模拟电源；其中12V 1A的模拟电源为提供给测控信号隔离模块109中的模拟信号输入隔离和模拟信号输出隔离中的运算放大器作为参考电压；5V1A的数字电源提供给隔离电源104；3.3V1A的数字电源给主控芯片101、片外掉电保护模块108供电；3.3V1A的模拟电源为测控隔离模块109的模拟信号输入、输出隔离提供电源；
所述电源接口保护电路102位于控制主板与外部电源接线处，由肖特基二极管和TVS(瞬态抑制)二极管并联若干不同大小的电容组成，如图3所示，VCC24表示接入的外部电源24V的入口，DC24表示开关稳压集成芯片的电压入口，在VCC24与DC24之间靠近VCC24处串联一个肖特基二极管D1，靠近DC24处串联一个TVS(瞬态抑制)二极管R1，在肖特基二极管D1和TVS二极管R1之间将三个不同大小的电容并联到地线GND上；其中C1为100nF的普通电容、C11为50V220uF的电解电容、C12为50V1000uF的电解电容；所述肖特基二极管D1具有开关频率高、正向压降低以及单导通性，能够对电源起到反接保护的作用；所述TVS二极管R1具有瞬态抑制性，可防止外部供电电源中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压对控制器内部的元件造成损毁；所述不同容值的电容C1、C11、C12是利用电容的充电储能特性以及滤波稳压特性分别滤除对应的高、中、低三个不同频段的信号干扰；
所述隔离电源104由两个隔离式的DC-DC转换器构成，通过所述转换器转换，主电源103的5V和3.3V电压被隔离成新的5V和3.3V电源，即两个电源物理上是绝缘的，起净化电源的作用；所述隔离电源104的隔离式DC-DC转换器选用的芯片型号为ADuM5010，其内置了磁隔离技术的芯片级空芯变压器，与光电耦合器相比具有更好的波形传输特性，适于工作在严苛的电气环境和频繁插拔通讯电缆的环境中；该芯片根据相应引脚输入电压值的不同会输出不同的隔离电压VISO；
其中，R1代表ADuM5010芯片的VSEL引脚与隔离地GNDISO之间的电阻，而R2代表ADuM5010芯片的VSEL引脚与隔离地VISO之间的电阻，根据此公式选取R1＝10KΩ、R2＝16.9KΩ，将3.3V的主电源转换为3.3V的隔离电源，选取R1＝10KΩ、R2＝30.9KΩ，将5V的主电源转化为5V的隔离电源，为通讯模块105供电，保护其免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真。
所述TVS自恢复过载保护电路106是根据TVS(瞬态抑制二极管)两极受到反向瞬态高能量冲击时能以极快的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗的特性，设计在通讯模块105与外部信息交互设备2之间的一种保护电路，其主要由若干TVS二极管串联在通讯模块105与外部信息交互设备2相接处；当外部信息交互设备2上出现静电放电效应和噪音干扰时，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由RS232和RS485总线之间在传递数据时所引起的干扰，防止通讯模块中的芯片受扰失灵；
所述通讯模块105用于和信息交互设备2、监控设备3进行信息通讯，该通讯模块包括RS232接口、RS485接口、USB接口、以太网接口；所述RS232接口用于和人机交互触摸屏201与主控芯片101进行通讯；所述RS485接口是常用的一种工业网络与总线接口，它常常结合诸如Modbus等通讯协议进行通讯检测与控制，在本控制器中，采用RS485/Modbus的通讯与控制方式来驱动锂电池极片轧机监控设备3中的辊压速度系统的矢量变频器；所述USB接口在本设计中用于外部计算机202对主控芯片101内的程序在线调试和下载，所述USB和RS232电平转换被设计为使用同一UART(通用异步收发传输器)接口，需要使用时采用跳线连接；所述以太网接口通过网线与云平台数据库203连接，用于把锂电池极片轧机设备运行状况信息通过以太网传递到云平台数据库做远程实时数据分析和故障诊断；
所述片外掉电数据保护模块108由一块RAM(随机存储器)和一块FLASH(闪存)存储器及其外围电路组成；为了满足电池极片以30m/s～50m/Sd的高速连续轧制的过程中程序的快速响应的需求，RAM选用的芯片型号为IS62WV51216，这是一块SRAM(静态随机存取存储器)它的容量为1M Byte，与主控芯片101并行连接；和普通的RAM相比SRAM不需要刷新电路即能保存它内部数据，因此其存储速度很快同时功耗也很小；选用的Flash芯片型号是W25Q128，用SPI方式扩展的总线的16M Byte闪存存储器，与主控芯片101并行连接；通过人机交互触摸屏201将所需的参数如PID参数、运行速度、伺服电子齿轮比等大量的数据记忆在Flash芯片中，这样可以为运行在主控芯片内部的FLASH的系统程序节省出极大的运行空间，有利于后续系统程序的修改优化。
所述CAN总线模块107由自带电磁隔离的CAN转换器ISO1040DUBR及其外围电路组成，与主控芯片101和监控设备3双向通讯连接，将主控芯片101输出的0-3.3V电平，转换为标准的CAN总线电平(3.5V-1.5V)，然后主控芯片101发出需要的轧制力信号通过CAN总线模块传输到监控设备3中的轧制压力控制系统，驱动轧制压力控制系统中的伺服液压站完成轧制力控制，同时也可获得伺服液压控制的数据信息反馈给主控芯片101，实现控制主板1对监控设备3中的轧制压力控制系统的实时检测和控制；
所述测控信号隔离模块109包括数字输入隔离、数字输出隔离、高速数字输入隔离、高速数字输出隔离、模拟输入隔离、模拟输出隔离；所述数字输入隔离、数字输出隔离、高速数字输入隔离、高速数字输出隔离都是用来隔离控制主板1和监控设备3间的数字量信号；所述数字量信号的隔离，利用光电耦合器以光为媒将电与电的转换变为“电—光—电”转换，实现对输入端与输出端数字信号的电气隔离；所述模拟输入隔离和模拟输出隔离用来隔离控制主板1和监控设备3间的模拟量信号；所述模拟信号的隔离使用滤波器和钳位电路实现其功能；
所述数字输入隔离与监控设备3中轧机开合系统上的接近开关或者收放卷系统上的按钮开关相接，如图4所示，以其中一路为例，X0.0代表一路开关按钮传来的数字信号入口，S/S根据X0.0传来电信号的高低，相应的接传感器的地线或是24V电源上使光电耦合器ISOI1输入端导通，电阻R100和电容C100构成的RC电路起到滤波作用，并联在电源和地之间的R200用来分流小电流防止光电耦合器ISOI1受到小信号的干扰，信号经过光电转换的隔离信号传输至低压端，然后再经过R400和C400构成的低压RC电路从GPI0.0端输入到主控芯片101对应的引脚；图中电源VCC3.3和电阻R300串联接在光电耦合器ISOI1接收端的发射极极上构成上拉电阻，防止错误信号进入主控芯片101，电源VCC3.3与地线GND之间的电容C300起到滤波作用；
所述数字输出隔离与监控设备3中收放卷系统的电磁阀或者轧机开合系统上的继电器相连接，考虑到主控芯片101会同时输出多个数字信号，其输出电流会随之削弱，不能达到同时驱动多个光电耦合器IOSO1的能力，同时经过光电耦合器IOSO1隔离的电压信号也没有驱动电磁阀的能力，因此需要在光电耦合器IOSO1前级和后级设置两个放大电路；如图5所示，以其中一路数字信号为例，GPO0.0表示主控芯片101发出的控制信号，三极管Q100的基极串联电阻R800并且在发射极和基极间并联电阻R600后接入地线GND构成前级放大电路，当控制信号为高电平时三极管Q100集电极和发射极导通并与VCC3.3形成回路，此时光电耦合器IOSO1导通，电流从光电耦合器IOSO1接收端的发射极进入三极管Q200的基极，使三极管Q200的集电极和发射极导通使得信号输出端Y0.0和地线GND形成的回路电流被放大，其中并联在光电耦合器IOSO1接收端的发射极和地线GND间的电阻R700起到分流三极管中的小电流的作用，被放大的电流信号经过防止反接的二极管D100将从Y0.0端传递至所述监控设备3中切刀平台的电磁阀，实现对该设备的控制；
所述高速数字输入隔离与监控设备3中轧辊间隙调节系统的伺服放大器的信号输入端子相连，如图6所示，以其中一路信号输入为例，HSX1代表伺服放大器反馈的高速数字信号，S/S、R150、C150和R250的作用和所述数字信号输入隔离电路中光电耦合器ISOI1的前端电路相同；HSX1与S/S形成回路，高速光耦HISOI1导通，经过光电变换的信号从TIM1_CH1端进入主控芯片101相应引脚；图中并联在电源VCC3.3与地线GND之间的电容C250用来滤除电源VCC3.3电压中的杂波；所述高速光耦型号不同于所述数字输入隔离的光耦，其内部自带施密特触发器，可以起到有效的去抖动作用，避免了信号传输失真、相位滞后，保证了传输速率；
所述高速数字输出隔离与监控设备3中轧辊间隙调节系统的伺服放大器的反馈输出端子相连，如图7所示，以其中一路信号输出为例，TIM8_CH1表示主控芯片101发出的低电平控制信号，经过分压电阻R000，与电源线VCC3.3形成回路，高速光耦HISOO1导通，信号经过光电变换从高速光耦HISOO1的输出引脚至N型三极管Q000和P型三极管Q001推挽相连的控制端，所述控制端是Q000和Q001基极相连的节点，最后经过放大的信号从电路的HSY1信号线输出至伺服放大器；图中并联在电源VCC24与高速光耦HISOO1的输出引脚之间的电阻R001为上拉电阻，并联在地线GND与输出引脚之间的电阻R008为下拉电阻，这两个电阻的作用是防止信号干扰，提高电路的稳定型性；图中阴极接在信号线HSY1、阳极接在电源VCC24的二极管D000和阴极接在地线GND、阳极接在HSY1的二极管D001的作用是防止所述伺服放大器反接时烧毁电路；
所述模拟输入隔离与监控设备3中纠偏系统中的测量偏移量光栅传感器、张力控制系统的张力传感器相连，如图8所示，AIN1信号线表示传感器的0-10V的输入信号，经过分压电阻R13然后经过由电阻R19并联电阻R20接地构成的分流电路，信号被转换为0-3.3V，然后信号进入电阻R15，电阻R15一方面连接电容C24至放大器LM324DT反向输入端，另一方面同时连接电阻R16，电阻R16连接电容C26至放大器LM324DT的模拟地引脚AGND组成的二阶滤波器，经过滤波的信号从运算放大器输出端进入连接主控芯片的ADC_IN8端口；此外运算放大器前后两端接入两个反向并联在模拟电压AVCC3.3和模拟地AGND的二极管D3、D8和D4、D7形成的钳位保护电路，将电压限制在0-3.3V间，防止外部传感器输出过压导致主控芯101被烧毁；
所述模拟输出隔离与监控设备3中收放卷系统的伺服放大器相连，如图9所示，以其中一路信号输出为例，DAC_OUT1表示主控芯片101发出模拟控制信号，经过电阻R28和电阻R30构成的并联电路，进入运算放大器正向输入端，运算放大器的反向输入端串联电阻R26并接模拟地，电阻R24并联在反向输入端和输出端之间，然后0-3.3V的模拟控制信号被运算放大器LM324DT放大为0-10V，从运算放大器LM324DT输出端输出至连接所述收放卷系统的伺服放大器的接口AOUT1；此外运算放大器前后两端的由两个二极管D20、D24构成的钳位电路与所述模拟输入隔离中的钳位保护电路的功能相同；
上述这些隔离端口与电池极片轧机设备中的间隙调整电机、液压气缸的电磁阀、继电器、张力传感器、光栅传感器等执行机构和信号反馈仪器通过接线端子相连，信号输入隔离端口可以避免输入的电压信号波动造成设备损坏，信号输出隔离端口具有较强的抗干扰能力，可防止干扰信号对输出端口造成干扰使执行机构发生误动作，影响正常生产。
所述监控设备3含有I/O口扩展器、张力控制系统、纠偏系统、轧机开合系统、辊压速度系统、收放卷系统、轧制压力控制系统和轧辊间隙调节系统；其中I/O口扩展器包含有数字量输入输出端口和模拟量输入输出端口；这里监控设备3的设计已在本课题组之前公开的专利中写到，详细内容可见申请号为201710355693.X的专利。所述人机交互触摸屏201用于现场调试、控制锂电池极片轧机设备并显示锂电池极片轧机设备运行状况信息，通过人机交互触摸屏201可以控制轧辊间隙调节系统、张力控制系统、纠偏系统和轧制压力控制系统；
所述主控芯片101选用STM32F429ZGT6微控制器，其控制内核为32位的ARMCortex-M4 MCU，具有1024KbytesFlash以及256Kbytes内置RAM,内置FPU，同时具备DSP功能，内部PLL可使得时钟频率高达180MHz，可以满足嵌入式控制器复杂的控制运算需求。144引脚封装为嵌入式控制器提供了足够的数字I/O，SPI和I2C接口为冗余设计提供了便利，控制器额外的扩展需求变得容易满足。
本发明未述及之处适用于现有技术，所涉及的元器件均可通过商购获得。
Claims (10)
1.一种基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于该控制器包括控制主板，所述控制主板与信息交互设备通过接线端子相连接；所述控制主板与监控设备双向通信；
所述控制主板包括主控芯片、电源接口保护电路、主电源、隔离电源、通讯模块、TVS自恢复过载保护电路、CAN总线模块、片外掉电数据保护模块和测控信号隔离模块；
所述主控芯片分别与通讯模块、片外掉电数据保护模块、CAN总线模块和测控信号隔离模块通过自身I/O引脚双向通信连接；所述主电源分别与主控芯片、隔离电源、测控信号隔离模块单向连接，并为之提供电源；所述隔离电源与通讯模块和CAN总线模块单向连接，并为之提供电源；
CAN总线模块与监控设备双向通信，通讯模块通过TVS自恢复过载保护电路连接信息交互设备及监控设备；所述电源接口保护电路位于控制主板与外部电源接线处；
所述控制主板分为三个不同的电源区域：主电源区、信号输入区、信号输出区，分别接受三路相互独立的外部电源24V供电；第一路进入主电源区经过控制主板中的主电源将得到的24V电压转换成不同电压值的电源，传送至核心保护区、隔离电源和测控信号隔离模块的模拟信号输入隔离及模拟信号输出隔离；隔离电源再将得到的电源做隔离处理传送至通讯模块和CAN总线模块；所述核心保护区是主控芯片和片外掉电保护模块所在的电路区域；第二路进入信号输入区然后直接用外部电源24V为该区域测控信号隔离模块中的数字输入隔离和高速数字输入隔离提供所需电源；第三路外部电源进入信号输出区，然后直接为该区域测控信号隔离模块中的数字输出隔离和高速数字输出隔离提供所需电源。
2.根据权利要求1所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述主电源对进入主电源区的外部电源转换过程是：先将外部电源24V 经过电源接口保护电路的保护处理；然后再将此24V电压用四个不同的开关稳压集成芯片转换为四个不同的电压源，分别为12V 1A 模拟电源、5V 1A数字电源、3.3V 1A数字电源、3.3V1A模拟电源；其中12V 1A的模拟电源为提供给测控信号隔离模块中的模拟信号输入隔离和模拟信号输出隔离中的运算放大器作为参考电压；5V1A的数字电源提供给隔离电源；3.3V1A的数字电源给主控芯片、片外掉电保护模块供电；3.3V1A的模拟电源为测控隔离模块的模拟信号输入、输出隔离提供电源。
3.根据权利要求1所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述隔离电源由两个隔离式的DC-DC转换器构成，将3.3V的主电源转换为3.3V的隔离电源，将5V的主电源转化为5V的隔离电源，为通讯模块供电。
4.根据权利要求1所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述电源接口保护电路由肖特基二极管和TVS二极管并联若干不同大小的电容组成。
5.根据权利要求4所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述电源接口保护电路在接入的外部电源24V的入口VCC24与开关稳压集成芯片的电压入口DC24之间靠近VCC24处串联一个肖特基二极管D1，靠近DC24处串联一个TVS二极管R1，在肖特基二极管D1和TVS二极管R1之间将三个不同大小的电容按照电容值由低到高依次并联到地线GND上。
6.根据权利要求1所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述TVS自恢复过载保护电路 由若干TVS二极管串联在通讯模块与外部信息交互设备相接处。
7.根据权利要求1所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，通讯模块包括RS232接口、RS485接口、USB接口、以太网接口；所述以太网接口通过网线与云平台数据库连接，用于把锂电池极片轧机设备运行状况信息通过以太网传递到云平台数据库做远程实时数据分析和故障诊断。
8.根据权利要求3所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述片外掉电数据保护模块中的RAM选用的芯片型号为IS62WV51216，片外掉电数据保护模块中的Flash芯片型号是W25Q128，所述隔离式DC-DC转换器选用的芯片型号为ADuM5010，主控芯片选用STM32F429ZGT6微控制器。
9.根据权利要求1所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述测控信号隔离模块包括数字输入隔离、数字输出隔离、高速数字输入隔离、高速数字输出隔离、模拟输入隔离、模拟输出隔离；所述数字输入隔离与监控设备中轧机开合系统上的接近开关或者收放卷系统上的按钮开关相接；所述数字输出隔离与监控设备中收放卷系统的电磁阀或者轧机开合系统上的继电器相连接；所述高速数字输入隔离与监控设备中轧辊间隙调节系统的伺服放大器的信号输入端子相连；所述高速数字输出隔离与监控设备中轧辊间隙调节系统的伺服放大器的反馈输出端子相连；所述模拟输入隔离与监控设备中纠偏系统中的测量偏移量光栅传感器、张力控制系统的张力传感器相连；所述模拟输出隔离与监控设备中收放卷系统的伺服放大器相连。
10.根据权利要求9所述的基于电气隔离理念的模块化嵌入式锂电池极片轧机控制器，其特征在于，所述模拟输入隔离和模拟输出隔离中均设有钳位保护电路。
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